气泡理论将细胞生物学提升到一个新的更量化的时代

　　9月22日发表在《自然》杂志的一项研究，详细介绍了如何建立起控制气泡和液滴形成的理论，从而使人们对细胞组织内容的原理有了新的理解。这项工作标志着研究人员理解和控制细胞内复杂的软材料的能力发生了巨大的变化。
　　＂这种方法一般应用于材料科学，但是我们已经把它调整成在细胞中做一些前所未有的事情，＂首席研究员CliffordBrangwynne教授说，他是普林斯顿生物工程计划主任。
　　之前，Brangwynne发现的细胞蛋白在细胞内组织成液体结构。这一发现引发了一个新的研究领域，研究细胞的各个部分是如何形成的，就像油滴在水中聚集一样。从那时起，科学家们就一直对这些结构如何组装的具体细节感到困惑。但是，要测量细胞内单个分子的粗糙动态是很困难的，在这些神秘的重叠过程中，微小的结构以每秒一千次的速度混沌地旋转。
　　博士后研究员Shunsuke Shimobayashi曾在京都大学学习软物质物理学，他想知道他从事名为脂质的有机化合物的研究背景是否能说明这个问题的任何有趣之处。如果蛋白质分子与水分离的方式浓缩出周围的环境，也许描述这个过程的第一步的数学，叫做成核，也会被证明在蛋白质中也是有用的。
　　Shimobayashi 转向成为经典的成核理论，这是材料科学的支柱。它的方程式推动了20世纪最深刻的技术变革，从气候模式第一次揭露全球变暖帮助数十亿人摆脱饥饿的肥料。
　　他还敏锐地意识到了一个关键的区别：这些方程式描述了简单、无生命的系统，但细胞内部却处于混乱之中。＂对于生物分子来说，这是一个更为复杂的物质环境，＂Shimobayashi说。但他继续向前推进，与机械和航天工程教授皮埃尔·隆塞莱(Pierre Ronceray)和Mikko Haataja合作。研究人员将这一理论简化为两个最重要的参数，并对其进行了调整，试图了解这一过程在细胞中的作用。为了验证这一理论，Shimobayashi于2018年在Brangwynne实验室开发了一种先进的蛋白质工具，该工具提供了一个理想的、简化的系统，可以模拟细胞中自然发生的过程。把它们加在一起，结果有点令人震惊。
　　当Shimobayashi试图诱导液滴瞬间结籽时，系统就失败了。但是当他把这些液滴播种得更慢时，它们就在精确确定的位置上成核，这种方式与他的改编理论完全一致。他预测了蛋白质水滴是如何、何时、何地形成的，Brangwynne称之为＂惊人的精确性＂。
　　接下来，研究小组又回到了本机单元结构的混乱复杂性上。当他们对所有影响蛋白质浓度的过程进行解释时，他们发现这个理论同样有效。他们将蛋白质的分子组装量化为复杂的液体结构，这些液体结构控制着生命最基本的日常生活。Shimobayashi说，这些结构不仅看上去像水中的油，而且它们还以相同的基本成核模式形成液滴，它们围绕着环境中微小的变化聚集在一起，其速度可以与其他材料一样的定量精度来预测。
　　根据Brangwynne的说法，随着这种预测能力的增强，工程能力将加速增长。他认为，将生物分子过程量化，并在物理模型中开发预测模型，将导致一个我们不再被动观察的世界，因为我们所爱的人会屈服于阿尔茨海默氏症等疾病。
　　Brangwynne说：＂我们首先必须了解它是如何工作的，它的定量数学框架是社会工程奇迹的基石。然后，我们可以采取下一步行动，以更大程度的控制来操纵生物系统。＂＂我们需要能够转动旋钮。＂
　　更多内容：Nucleation landscape of biomolecular condensates, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03905-5 , www.nature.com/articles/s41586-021-03905-5